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在太空谛听“时空涟漪” ——我国首颗空间引力波探测星“太极一号”上的兰州印记

2019-10-11 00:00:00 智能朗读:

    一个世纪前,爱因斯坦基于广义相对论预言了引力波的存在;而双黑洞并合产生的引力波2015年才首次在地面被直接观测到。倘以水面比喻时空,引力波就是引力在时空间留下的涟漪,它为人类探索宇宙奥秘打开了有别于电磁波的全新窗口。中华人民共和国70华诞前夕,我国首颗空间引力波探测技术实验卫星“太极一号”顺利完成第一阶段在轨测试任务,我国空间引力波探测翻开里程碑式的崭新一页!这颗“星”再度吸引了世界的目光,而它身上能测定“一只蚂蚁推卫星产生的加速度”、未来实现空间引力波探测的核心设备——“引力参考传感器”,是由兰州的中国航天科技集团有限公司五院五一〇所(以下简称510所)空间环境探测载荷中心为主,与中国科学院长春光学与精密机械研究所合作研制,也是510所已有20年预研基础的静电悬浮加速度测量技术的首次在轨应用。510所三代人的坚守,在向“不可能”的极致挑战中,诞生了“中国首次”! 兰州日报社全媒体记者何燕/文 510所供图

    “太极”太急510所受邀参研

    《易经》中,“太极”意味着天地间最原始的状态。“太极计划”共同首席科学家、中科院院士胡文瑞曾披露,我国空间引力波探测“太极计划”由3颗以太阳为中心的卫星组成,呈正三角形编队,每颗卫星间距300万公里,利用高精度星间激光干涉测距技术和无拖曳航天技术等实现。空间引力波探测所涉及的核心技术,比如高精度超稳激光干涉仪、引力参考传感器、超稳超静无拖曳控制、微牛级推进器等,都在“太极一号”上展开可行性和实现途径在轨实验验证。

    “我们内部有个说法,‘太极’就是太急!接受任务初期感觉根本不可能如期完成。相比研究了七年的空间电场探测仪,这个限期一年的项目让人感情更深,内心有更多感触!”45岁的510所空间环境探测载荷中心技术总监雷军刚,已在“神舟”“张衡一号”等星(船)空间微重力、重力场和空间电场测量等一线科研岗位上拼搏20余寒暑,是510所“太极一号”项目惯性传感器技术负责人。

    2018年7月8日,胡文瑞院士专程来到510所,邀请510所与中科院长春光机所合作研制中科院空间科学(二期)战略性先导科技专项首发星——微重力技术实验卫星(“太极一号”命名前的名称)的引力参考传感器(又称“惯性传感器”)。它不只是“太极一号”,也是下一阶段“太极”关键技术双星验证星和未来2030年“太极”三星计划不可或缺的核心载荷。“目前国内长期研究静电悬浮加速度测量技术的单位中,华中科技大学参与了另外一个计划——‘天琴计划’,而510所也是国内最优秀的团队之一,参与了中国科学院的‘太极计划’。”

    测得出蚂蚁推卫星的加速度

    引力波信号极其微弱,实现空间引力波探测,需要突破目前人类精密测量和控制技术的极限,其关键技术指标从未在地面实现和测量过,技术难度前所未有。

    “太极一号”第一阶段在轨测试和数据分析结果表明,510所主研的引力参考传感器测量精度达到地球重力加速度的百亿分之一量级,相当于一只蚂蚁推“太极一号”产生的加速度。“卫星8月31日发射,9月2日晨8时4分至8时12分,我们的惯性传感器第一次在轨开机!”雷军刚准确记忆了这一重要时刻,他与王佐磊、敏健三人自9月12日至9月20日持续对传感器进行在轨性能测试,结果令“太极一号”卫星总、分系统所有科学家欢欣鼓舞。

    “不管是太阳照射的最微弱光压、太空中极稀薄气体的阻力,还是来自地球的反向辐照压力,都能用惯性传感器的技术监测到。”雷军刚说,惯性传感器应用了510所具有20年预研基础的高精度静电悬浮加速度测量技术。“依靠静电力,让一块长宽各4厘米、高1厘米的方形钛合金检验质量块悬浮于惯性传感器敏感结构的重心,它同时也位于‘太极一号’的正中心。在轨测试中,它的质心与卫星质量重心的重合度优于0.1毫米!”雷军刚打了个比方,“好比在过山车上还要端稳一碗水”,这个过程看似简单,实现极难。这需要引力参考传感器精确测出检验质量块的加速度和相对位移,再通过精准的静电反馈控制技术让它继续“稳定”在中心位置,实现卫星质心、压心、自引力中心的“三心合一”。

    引力参考传感器在轨性能测试“达标”,为“太极一号”的微推力器提供准确标定、开展无拖曳控制试验等发挥了关键作用。“太极一号”实现了我国迄今为止最高精度的空间激光干涉测量,成功进行了我国首次在轨无拖曳控制技术试验,并在国际上首次实现了微牛级射频离子和双模霍尔电推进技术的在轨验证。其中,激光干涉仪位移测量精度达到百皮米量级(约为一个原子直径),微推进器推力分辨率达到亚微牛量级(相当于一粒芝麻重量的万分之一)。

    几十微米空间内稳定悬浮

    9月21日,在中科院公布“太极一号”第一阶段在轨测试结果的次日,“太极计划”首席科学家胡文瑞院士即赴510所登门道谢。510所引力参考传感器研制团队的许多人都哭了,“过程虽然艰辛,但我们没有辜负科学家的重托!”

    “感谢‘太极一号’,让我们所预研了20年的成果首次在轨应用!我们是幸运的,三代人的努力在我们这一代实现,证明了我们行!”男儿有泪不轻弹,510所工艺设计部经理毛俊程说至动情处,已是哽咽难言。

    早在1986年,510所前所长达道安提出与德国人合作研究微重力,前瞻性地确定了这一研究方向。2000年起,510所人勇攀高峰,向高精度静电悬浮加速度测量技术这一最精密的空间测量技术之一发起冲击,至引力参考传感器系统主管设计师王佐磊的导师薛大同老师时,已可测出万分之一至百万分之一的地球重力加速度。“2008年实现了克服1G重力的六自由度地面稳定悬浮,我们所这项技术当时属国内首创,测量精度是地球重力加速度的一亿分之一。”负责引力参考传感器静电悬浮加速度计控制系统研制的510所陈光锋博士解释,“静电悬浮加速度计上天前,首先要做地面悬浮验证,关键先要‘浮’起来。”“敏感结构中的检验质量块与上下左右的间隙仅20微米,让它在几十微米的空间内稳定悬浮,这就是陈光锋的本事!”毛俊程说。

    “一直到今年2月春节前,距离8月发射仅半年,质量块还‘浮’不起来。”毛俊程说,当时大家顶着压力,“中心找来了各种‘大牛’,还有几代搞过加速度计的科研人员,一起排查问题。”中科院的专家、领导也坐不住了,准备坐飞机来兰“督战”。前一晚,整个团队还在反复核对数据,当时还请了航天五院钱学森实验室的范达博士帮助一起找问题,终于及时排查了高压耦合干扰和控制算法缺陷等问题。“专家和领导刚下飞机,我们这边就‘搞定’了。‘批斗会’变成了‘庆功会’,大家过了个好年。”毛俊程说。

    “漫天风沙”中搜寻微弱信号

    引力参考传感器精度要求非常高,故而对加工精度要求也极高,其中检验质量块加工精度为1微米,其难度令国内最好的光学和机械精密加工单位中最好的精密研磨工人都犯怵。而与检验质量块相连金丝仅为发丝的1/3粗细,却肩负着传递信号的使命,510所人形象地称其为“命悬一线”的金丝。

    引力参考传感器的质量块位移采用了电容位移检测技术,检测精度达到十皮米量级,约为原子直径的十分之一。“这个量级的信号已经极其微弱,电路信号却如风沙漫天、汪洋大海一般喧嚣,要从中寻找到这样微弱的信号难度可想而知!”李云鹏说。

    “从首席科学家到工程总师都急了!院士、专家问:指标在地面测不了,上天后谁知道?”第二次让院士专家着急,就是这一关键的指标地面测不出怎么办?

    为此,团队做了细致的测试评价工作,把每一项影响因素都列出来,然后对产生原因、影响大小等一一评测,王佐磊所做的地面测试评价分析报告多达几十页,有力地预计了在轨的指标。“上天后的指标与我们的评估指标一模一样。”到在轨性能测试结果出来的那一刻,坚持静电悬浮加速度测量技术研究工作17年的王佐磊无比自豪。

    尾声

    在“太极一号”第一阶段在轨测试成功后,雷军刚感慨万千填词一首——《青玉案·微星》:“东风遥祝快舟行,天地阔,微星静。箭逐日月映初心。南北始动,西东缘起,一载时光凝。光阴有感若引离,微华曳星寻太极。不展眉心夙夜吟,叩思沉问,不觉已明,举目万里清。”

    雷军刚介绍说,静电悬浮加速度测量技术在未来的空间引力波探测中,将是“测出500万公里皮米量级变化”的关键设备,还将作为关键技术应用于超高精度惯性导航、全球气候及重力环境研究等重大和前沿空间科学研究和工程应用领域。510所引力参考传感器的成功研制,标志着我国在此类最前沿的航天高精尖领域开始发力争先。

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来源: 兰州新闻网 兰州晚报

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